变占空比的取样光纤光栅及其切趾方法

摘要

变占空比的取样光纤光栅及其切趾方法属于光纤光栅，尤其是取样光纤光栅领域。其特征在于：它是一种占空比是变化的，而且其变化与切趾函数相同的变占空比的取样光纤光栅。它是使紫外光依次入射到取样模板、相位模板和光纤上，或依次入射到光阑、快门、相位模板和光纤上。调整相位模板和光纤间的距离，使光栅两端的取样率接近于零；再使光束匀速扫过取样模板或光阑、快门而入射到光纤上曝光形成光栅的周期性取样结构。当用光阑代替取样模板时，紫外光是通过由计算机控制的快门的打开与关闭来控制曝光的时间的。控制了两次曝光的时间间隔，便可以控制取样周期；控制了曝光时间，便可以实现变占空比。因此，可以作出周期可变或周期固定的变占空比取样光纤光栅。与已知结构及已知方法相比，它同样可以消除时延谱的波纹，而且制作简易，工作可靠。

说明书

技术领域

变占空比的取样光纤光栅及其切趾方法属于光纤光栅，尤其是取样光纤光栅领域。

背景技术

目前变强度定占空比的光纤光栅在写入渐变强度光栅的同时平均折射率会产生同样形式的改变，从而在光谱反射谱长波方向和群速度时延谱上会形成显著的波纹。为此就需在写入渐变强度光栅的同时要保证平均折射率的相同。在光栅的两端作调制强度渐变的“切趾”(apodization)处理可以改善反射和时延曲线，使反射谱顶端更加平坦，边缘更加陡峭。切趾的轮廓是两端的光栅调制强度很小，然后逐渐增加，在中心部分达到最大。具体的切趾方式有高斯、升余弦等函数。然而，由于紫外光写入光栅的过程只能使平均折射率提高，而不能使平均折射率降低，因此在写入渐变强度光栅的同时平均折射率也产生了同样形式的渐变。由于某点平均折射率的变化会导致该点光栅中心波长的变化，因此当不同位置的中心波长重合时，会产生法布里-柏洛(Fabry-Perot)共振结构，在光栅反射谱的长波长方向和群速度时延谱上形成显著的波纹(ripple)。因此要在产生渐变强度光栅的同时保证平均折射率的相同。一般要采用渐变衍射效率的相位模板、预先产生与切趾函数共轭的平均折射率调制等方法来解决。一项申请专利的切趾技术是将紫外光分束，然后分别通过两个共轭的强度模板，其中一束光还要经过相位模板，最后两束光都照射到光纤上。其中一束产生强度渐变的光栅，另一束对其进行平均折射率的补偿，组合后达到产生渐变强度光栅的同时保证平均折射率相同的目的。其问题是光路比较复杂，对环境要求比较高，因此实用性比较差。主要难点在于，将激光分束为能量相同的两部分，最后要保持两束光光强共轭。然而这两束光光路并不相同，其中一路还经过了一个相位模板，相位模板的吸收和衍射效应使两束光光强共轭难以保证。环境的振动等因素也会使两束共轭光最后不能保证从截面方向入射到光纤上，以及这两束共轭光的入射点不重合，因此对制作环境要求比较高。以上的各种方法都是既适用于普通的单信道光纤光栅，又适用于特殊结构的光栅，例如取样光栅。在当前的密集波分复用(DWDM)光通信系统中，要求器件具有多信道工作的能力。由于取样光纤光栅引入了新的周期结构的强度调制，因此具有多个信道工作的能力。常用的取样函数是二进制取样，也就是存在周期性的光栅段和空白段，光栅段和取样周期的比值即为“占空比”。我们解决问题的思路是，设计一种取样光栅特有的切趾技术，即使这种技术对普通单信道光栅并不适用。我们的设计思路是利用取样光栅引入的新的自由度-占空比来产生切趾效果。前文所述的文献和专利中介绍的切趾方法制作取样光栅时，制作出的光栅是定占空比、变强度的取样光栅。我们设计的光栅是定光栅强度、变占空比的。由于光栅的强度保持一致，因此避免了强度变化带来的法布里-柏洛共振效应，由此避免了双光束或二次曝光等的切趾补偿工艺，使这个工艺装置简单、易于实行。但由于占空比是取样光栅特有的，因此这个工艺仅适用于取样光栅。占空比的变化与切趾函数相同，两端趋近于零，向着中心逐渐增加，在中间的部分保持不变。关键是如何在光栅的两端产生足够小的占空比。但是，在利用具有周期性狭缝的取样模板制作变占空比的取样光栅时，由于金属材料线切割最小线宽的限制，狭缝宽度不能小于0.1mm。相位模板法写入光栅时，有效的干涉区是三角形，靠近模板处干涉区最长，随着与模板距离的增加，干涉区逐渐变短。因此，调节光纤与相位模板间的距离就可以改变光栅的长度，进而改变光栅的占空比，并解决了用宽的狭缝来产生短光栅的问题。

因此，本发明提出的变占空比的取样光纤光栅既有其必要性也是可行的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型的变占空比的取样光纤光栅及切趾方法。

本发明提出的变占空比的取样光纤光栅，其特征在于：它是一种占空比是变化的而且其变化与切趾函数相同的取样光纤光栅。它也可以是一种定光栅强度、变占空比的取样光纤光栅。它也可以是一种定光栅强度但光栅两端是变占空比而中间是等占空比的取样光纤光栅。它更可以是一种变取样周期且变占空比的取样光纤光栅。

本发明提出的变占空比的取样光纤光栅的切趾方法，其特征在于：它是使取样模板上占空比的变化与切趾函数相同以制作变占空比的取样光纤光栅的一种方法，其依次含有以下步骤：

(1)在线切割最小线宽为0.1mm的条件下用高精度线切割机以慢走丝线切割的方式制作占空比渐变方式服从规定的切趾函数的金属取样模板；

(2)使紫外光经平移台上的反射镜后依次入射到取样模板、相位模板和光纤上，调整相位模板和光纤间的距离，使光栅两端的取样率接近于零；

(3)使平移台带动反射镜匀速移动，光束便匀速地扫过取样模板和相位模板，在狭缝处，紫外光入射到光纤上曝光，从而形成光栅的取样结构；

(4)重复多次步骤(3)的扫描动作，以获得足够的折射率调制深度。

本发明提出的变占空比的取样光纤光栅的切趾方法，其特征在于，其依次含有以下步骤：

(1)调整光阑的宽度，使光阑只透过光束中相干性好的部分；

(2)调整光路，使紫外光经过由计算机控制的快门、反射镜反射后依次正面入射到由计算机控制的光阑、相位模板和光纤上，调整相位模板和光纤间的距离，使光栅两端的取样率接近于零；

(3)驱动计算机程序，使平移台带着反射镜作匀速运动；

(4)计算机计算某个位置的曝光时间，一旦平移台上的反射镜到达需曝光的该位置，计算机便调整光阑宽度及角度，然后打开快门，使紫外光在设定的曝光时间内透过光阑狭缝，入射到光纤上，曝光形成光纤光栅；曝光结束，在其它位置关闭快门；

(5)计算机计算下一个取样周期开始的时间，开始延时，平移台继续移动，一直到下一个需要曝光的位置，根据计算出的下一个位置的曝光时间，重复以上步骤；

(6)当取样计数到规定的次数便结束。

使用证明：它可以实现预期目的。

附图说明

图1.部分升余弦切趾函数曲线。

图2.本发明提出的定强度、变占空比的取样光纤光栅。

图3.其它方法获得的定占空比、变强度的取样光纤光栅。

图4.本发明提出的用金属取样模板制作变占空比取样光纤光栅的实验装置。

图5.由相位模板与光纤间的间距来改变占空比的原理图。

图6.本发明提出的用快门制作变占空比取样光纤光栅的实验装置。

图7.用计算机控制快门曝光的电路原理框图。

图8.用计算机控制光阑宽度与角度的电路原理框图。

图9.用计算机控制光阑动作与快门曝光的程序流程图。

图10.本发明得到的取样光纤光栅的反射谱和时延谱的时延曲线图。

图11.计算机仿真得到的用其它切趾方法制作的取样光纤光栅的反射谱和时延谱。

具体实施方式

实施例1：用金属取样模板来制作定强度但光纤两端为变占空比而中间为定占空比的取·样光纤光栅。现结合附图对其各步骤依次说明如下：

1，用公知的数控技术及精度为5微米的线切割机在0.5mm厚的炭素工具钢上以慢走丝线切割的方式按所示的升余弦切趾函数制作变占空比的取样模板，其一端满足的形式是(e₀+e₁*(1-cos(pi*(i-1)/n_i))/2)*p，另一端与之对称。其中pi为圆周率，p为取样周期，对0.8nm的信道间隔，p取1.03mm；e₀为模板两端的占空比，则e₀*p为最窄的狭缝宽度，由于线切割工艺的限制，此宽度为0.15mm。e₁为占空比的变化范围，e₁*p为狭缝宽度的变化范围，取该变化范围为0.3mm。i为狭缝宽度序号，n_i为切趾范围，可以取21，则对于总共101个狭缝的光栅，相当于两端各作20％的切趾。而中间部分60％的占空比则是不变的。部分升余弦切趾函数与定强度、变占空比的取样光栅的结构示于图1、图2。图1横坐标是光栅的位置，纵坐标是归一化光栅调制强度。部分升余弦切趾函数中的部分是指光栅左、右两侧各切趾15％。图2是本发明提出的定强度、变占空比的取样光栅。坐标含义与图1相同。取样是指周期性地写入光栅，变占空比是指在光栅的两端，对应切趾的地方，光栅的调制强度不变，而每个取样内光栅的长度发生了变化。图3是其它方法获得的定占空比、变强度的取样光栅。坐标含义与图1相同。特点是每次取样时光栅的长度不变，即是定占空比，而光栅的调制强度发生变化。

2，用图4的实验装置，使紫外光经反射镜反射后依次入射到取样模板、相位模板和光纤上。其中1是紫外反射镜，由计算机控制的平移台驱动。2是紫外光束。3是相干区域。4是光纤。6是相位模板。7是取样模板。5₁是可以写入光栅的位置。5₂是不写入光栅的位置。光纤4在相干区域3的三角形区域内曝光可以写入光栅，在其它区域只引起平均折射率的提高，而不写入光栅。反射镜1放在平移台上，由计算机驱动。调整光路，使光束正好入射到取样模板7、相位模板6上。用手柄摇动去驱动精度为10微米的平移台，调整相位模板6和光纤4之间的距离，用位置5₁和5₂表示，观察其反射谱，观察其光栅两端的取样率是否接近于零，由实验数据得出：对于0.15mm的最小狭缝宽度，这个距离为0.33mm。用相位模板6和光纤4的间距来改变占空比的原理图如图5所示。8是光束宽度D_B，9为衍射角θ，10为光纤写入位置H_c，11是-1级衍射光，12是+1级衍射光。其中H_C＝D_B/2tgθ，这是写入光栅的最远位置。对本发明使用的氩离子倍频激光器，λ＝244nm，θ＝13.15°，设D_B≈0.15mm，则H_C＝0.33mm。

3，启动计算机程序，使平移台带动反射镜1匀速移动，光束便匀速地扫过取样模板7和相位模板6。在狭缝处，紫外光入射到光纤4上，曝光形成光栅；在其它位置，紫外被相位模板挡住，不能形成光栅，因此形成取样结构。通常需要反复扫描才能获得足够的折射率调制深度，在本实验中共扫描13次。实验得到的反射谱和时延谱见图9。作为对比，计算机仿真获得的等强度、等占空比取样光栅的反射谱和时延谱示于图10。仿真所用方法为耦合波理论-传输矩阵法。对应的实验结果见已经公开的文献。所有反射谱和时延谱的横坐标是波长，单位是nm，反射谱和时延谱的纵坐标分别是dB和ps。

实施例2：用光阑代替取样模板来制作实施例1所述的取样光纤光栅。现结合附图对其步骤予以说明：

(1)调整光阑14的宽度，使光阑14只透过光束中相干性好的部分。

(2)调整图6所示的光路，使紫外光2经光阑14、快门13、反射镜1反射后依次入射到相位模板6和光纤4上。反射镜放置在平移台15上，平移台15由计算机16驱动。计算机控制快门的实验装置如图7所示，计算机通过数模转换卡17、光电开关18、电磁铁19、钢片20来打开和关闭快门13。光电开关18与驱动电源21相连。计算机控制光阑宽度与角度的实验装置如图8所示，计算机通过数模转换卡17发出两路信号分别控制平移控制马达23和旋转控制马达24。平移控制马达23控制光阑平移台25，调整光阑钢片22所组成狭缝的宽度。旋转控制马达24控制光阑旋转台26，调整光阑钢片22与入射光束之间的角度，该装置是市售的。27是光阑宽度D_s，也可由前级光阑14手动控制。28为光阑倾斜角度θ_s，则透过光束的宽度为D_T＝D_scos(θ_s)，通过计算机控制D_s与θ_s可以控制最终的透过光束宽度D_T。调整光路，使光束正向入射到相位模板6上。设置相位模板6和光纤4之间的距离，使光栅连段的取样率接近于零，对于0.15mm的最小狭缝宽度，这个距离为0.33mm。

(3)按图8所示程序启动计算机16，使平移台15带动反射镜1匀速移动，反射镜1的移动引起光束2的移动，光束2匀速地扫过相位模板6、光阑22，入射到光纤4上，曝光形成光栅。形成取样结构的关键是快门13的打开与关闭时光束2照射到光纤4上的位置。在需要曝光的位置打开快门，曝光形成光栅；在其它位置关闭快门，不曝光，以此来形成周期性曝光的取样结构。如果最终透过光阑22的光束宽度为0.15mm，设定平移台的速度为0.25mm/s，如果在某一位置打开快门13，曝光0.2s后关闭快门，则在一个周期内产生的光栅段长度为0.15+0.25*0.2＝0.2mm。再过3.92s后再次打开快门13，进行下一个周期的曝光。这时取样光栅的周期为1.03mm，则对应曝光0.2s的占空比为0.2mm/1.03mm＝0.194。改变两次曝光的间隔，可以改变取样周期，这可以由计算机16来实现。本例中两次曝光的时间间隔是0.2+3.92＝4.12s，对应的取样周期是1.03mm，如果两次曝光的时间间隔是0.2+3.96＝4.16s，则对应的取样周期是1.04mm。利用这个技术，还可以制作变取样周期的光纤光栅。固定光阑22的宽度与角度，改变每次曝光的时间，可以改变该周期的占空比。本例中固定光阑22的宽度与角度分别为0.16mm和20°，则透过的光束宽度为0.15mm。曝光时间是0.2s，占空比是0.194；如果曝光时间是0.21s，则占空比是(0.15+0.25*0.21)/1.03＝0.197。占空比的改变采用切趾函数的形式，本例需要用ms量级响应精度的快门控制。固定每次曝光的时间，改变每次曝光时光阑22的宽度与角度，可以改变光束的宽度，并改变占空比。本例中曝光时间是0.2s，当光阑22的宽度与角度分别为0.16mm和20°时，占空比是0.194；如果光阑22的宽度与角度调整为0.17mm和20°时，占空比是0.203；如果光阑22的宽度与角度调整为0.16mm和21°时，占空比是0.193。调整光阑22的宽度，可以得到大的占空比变化范围，而调整光阑22的角度，可以得到高的占空比调整精度。占空比的改变采用切趾函数的形式，本例需要用10微米和1°量级精度的光阑宽度和角度的控制。同时控制快门的曝光时间与光阑的宽度和角度可以得到更好的灵活性。通常需要反复扫描才能获得足够的折射率调制深度，本例中共扫描13次。

在图9中，初始化平移台部分包括初始化和设定平移台初始位置。光路设置完毕，激光器打开后，以0.25mm/s速度驱动平移台，开始扫描，可调光阑14狭缝宽度设为0.5mm，电控光阑22的宽度与角度分别为0.16mm和20°，一次扫描长度108mm，相位模板与光纤间距离设定为0.33mm。曝光位置间隔1.03mm，则取样周期也是1.03mm。每个取样内的曝光时间符合升余弦切趾函数的形式。从两边的0.2s过渡到中间的0.4s。注意程序中两次曝光的时间间隔是固定的，为4.12s，以保证取样周期的不变。改变曝光间隔，可以用于变取样周期切趾光纤光栅的制作。快门13的打开与关闭是靠计算机16驱动数模转换卡17，给出5V驱动信号，使驱动器中的光电开关处于开的状态，则电流导通，在电磁铁19的作用下，吸引钢片20，使快门13处于打开状态。反之，当计算机16发出OV驱动信号时，快门13处于关闭状态。

由此可见，变占空比的取样光纤光栅同样可有效抑制时延曲线的波纹，而且制作简单，运行可靠，对环境要求也低。